чугун для мелющих тел

Формула изобретения

Чугун для мелющих тел, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, медь, магний и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод - 3,5 - 4,2

Кремний - 0,1 - 0,6

Марганец - 0,1 - 0,6

Хром - 0,4 - 1,0

Ванадий - 0,05 - 0,55

Титан - 0,06 - 0,25

Медь - 0,6 - 1,5

Магний - 0,03 - 0,06

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов чугуна для изготовления мелющих тел и быстроизнашивающихся деталей: бил, броневых плит шаровых мельниц, щек щековых дробилок и т.п.

Известен чугун следующего хим. состава мас.%:

С-2,6-3,5; Si-1,2-1,8; Mn-0,3-0,8; Cr-0,2-0,5; Ti-0,1-0,4; Al-0,1-0,2; Cu-0,1-1,1; Ca-0,02-0,08; Sb, Te-0,01-0,07; B-0,001-0,02; Mo-0,1-0,9; V-0,1-0,25; РЗМ 0,002-0,03; Fe-ост. (aвт. cв. 1068530, кл. C 22 C 37/06, 21.03.84г.)

Низкое содержание углерода и хрома приводит к недостаточному количеству карбидов, что в свою очередь снижает твердость и износостойкость чугуна. В то же время высокое содержание кремния, кальция, алюминия приводит к образованию в металлической матрице (микроструктуре) низко износостойкой фазы-перлита, что также снижает твердость и износостойкость чугуна.

Известен также чугун следующего хим. состава, мас.%:

C-2,8-3,5; Si-0,5-1,8; Mn-0,15-0,60; Cr-0,5-1,5; Cu-0,5-2,5; Мо-0,1-1,0; Ni-2,0-4,5; РЗМ 0,05-0,20; Fe-ост. (авт. св. 1701753, кл. C 22 C 37/06, 30.12.89г.)

Низкое содержание углерода приводит к недостаточному образованию карбидов и, следовательно, к снижению твердости и износостойкости. Высокое содержание кремния также снижает карбидообразование и способствует получению малоизносостойких структур (перлита) в металлической матрице чугуна. Кроме того, высокое содержание в чугуне никеля и молибдена (2,1-5,5%) приводит к образованию в металлической матрице остаточного аустенита, которой резко снижает твердость и износостойкость чугуна.

Наиболее близким по технической сущности является чугун следующего хим. состава, мас.%:

С-2,8-3,8; Si-0,2-1,2; Mn-0,1-0,8; Cr-0,1-0,6; Ti-0,01-0,05; Cu-0,02-0,30; V-0,15-0,80; N-0,07-0,30; Mg-0,003-0,08; Fe-ост. (авт.св. 1548246, кл. C 22 C 37/10, 07.03.90г.)

Низкое содержание углерода в сочетании с низким содержанием хрома (0,1%) и титана (0,01%) не обеспечивает получение требуемого количества и твердости карбидов, что приводит к снижению износостойкости чугуна. Низкое содержание меди (0,3%) в хим. составе чугуна является неэффективным в формировании твердых и износостойких фаз металлической матрицы чугуна. Низкое содержание магния (0,003%) не может выступать в роли высокоэффективного элемента, способствующего образованию достаточного количества мелкодисперсных карбидов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости и ударостойкости мелющих тел: шаров и цильпебсов, бил, броневых плит шаровых мельниц, щек щековых дробилок, валков. Решение поставленной задачи достигается выбором граничных пределов содержания компонентов в чугуне, мас.%:

Углерод - 3,5-4,2

Кремний - 1-0,6

Марганец - 0,1-0,6

Хром - 0,4-1,0

Ванадий - 0,05-0,55

Титан - 0,06-0,25

Медь - 0,6-1,5

Магний - 0,03-0,06

Железо - Остальное

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера и фосфор.

Такой выбор компонентов обеспечивает получение чугуна с субмикрокристаллической структурой.

Высокое содержание углерода в пределах 3,5-4,2% по массе обеспечивает получение максимального количества карбидов и в то же время тормозит усадку в процессе перехода металла из жидкого в твердое состояние, т.е. позволяет получить плотную литую структуру без пор и раковин, повышает твердость и износостойкость чугуна. Содержание углерода ниже 3,5% приведет к уменьшению твердости, износостойкости и увеличению усадочных дефектов. Высокое содержание углерода (более 4,2%) приведет к интенсивному выделению графита в свободном виде, что резко снизит твердость, износостойкость и ударостойкость.

Содержание кремния в пределах 0,1-0.6% по массе выбрано из условий его минимального влияния на процесс карбидообразования в ходе первичной кристаллизации и практически при заданном содержании остальных элементов он не оказывает никакого влияния на процесс графитизации при эвтектической и эвтектоидной кристаллизации. Низкое содержание кремния не оказывает влияния на формирование износостойких фаз в чугуне и приводит только к удорожанию материала. Содержание кремния выше 0,6% приводит к увеличению степени графитизации, что как следствие понижает износостойкость отливок.

Марганец способствует получению в структуре чугуна остаточного аустенита и, кроме того, сосредотачиваясь на границах зерен, он охрупчивает материал и тем самым снижает его ударостойкость. Исходя из этого его пределы выбраны на минимально-допустимом уровне, равным 0,1-0,6 мас.%. Содержание марганца ниже 0,1% экономически нецелесообразно. Содержание марганца выше 0,6% приводит к резкому охрупчиванию чугуна и тем самым снижает ударостойкость.

Хром позволяет получать карбиды сложного состава, повышает твердость и тем самым износостойкость чугуна. Кроме того, он повышает прокаливаемость чугуна, что позволяет получать равномерную твердость по всему сечению отливки и одинаковую износостойкости как поверхностных, так и внутренних слоев материала. Содержание хрома ниже выбранного предела (0,4%) приводит к уменьшению структурно-свободных карбидов, что в свою очередь понизит твердость и износостойкость. Высокое содержание хрома (выше1%) приводит к снижению ударостойкости.

Ванадий способствует измельчению структурных составляющих, повышает вязкость материала и, выделяясь в виде мелких дисперсных карбидов с высокой твердостью, способствует упрочнению и повышению твердости металлической матрицы. Содержание ванадия ниже 0,05% приводит к уменьшению износостойкости и ударостойкости. Содержание ванадия выше 0,55% не дает увеличения твердости, износостойкости и ударостойкости.

Титан способствует получению карбидов с высокой твердостью и тем самым повышает износостойкость чугуна. Содержание титана в чугуне ниже указанного предела (0,06%) приводит к снижению твердости и понижению износостойкости. Содержание титана выше 0,25% приводит к снижению ударостойкости за счет охрупчивания границ зерен.

Медь в выбранных пределах (0,6-1,5%) по массе способствует получению субмикрокристаллической структуры матрицы чугуна, что значительно повышает его износостойкость и ударостойкость. Содержание меди ниже 0,6% не оказывает влияния на формирование субмикрокристаллической структуры и приводит к снижению износостойкости и ударостойкости. Содержание меди выше верхнего предела (1,5%) приводит к выделению мягкой медистой фазы, что снижает твердость и износостойкость чугуна.

Магний оказывает рафинирующее и модифицирующее действие, способствует получению в структуре чугуна значительного количества мелкодисперсного шаровидного графита, который снижает уровень остаточных напряжений. При этом свободный графит, выделяясь в процессе первичной кристаллизации, тормозит усадку. Модифицирующее действие магния способствует измельчению карбидов и их равномерному распределению в матрице. Благодаря такому действию магний способствует повышению износостойкости и ударостойкости чугуна. При снижении магния в чугуне менее 0,03% его модифицирующее действие пропадает и значительно снижается ударостойкость. Содержание магния выше 0,06% приведет к резкому охрупчиванию чугуна и как следствие к снижению ударостойкости.

В предлагаемом чугуне повышение пределов содержания углерода, меди, хрома и магния, а также снижение предела содержания кремния и исключение из состава азота по сравнению с известным чугуном позволяют повысить износостойкость и ударостойкость чугуна за счет получения более вязкой субмикрокристаллической матрицы с равномерно распределенными карбидами.

Чугун выплавляют в дуговой печи постоянного тока с кислой футеровкой, либо в индукционной печи. В качестве шихтовых материалов используют чугунный скрап, образующийся в процессе выпуска доменного чугуна, обрезь прокатного производства, электродный бой, медь и модификатор ФСМг7КОЗ. В дуговую печь постоянного тока загружают 50% чугунного скрапа, 50% стальной обрези и 4% электродного боя сверх 100% от металлозавалки. По расплавлении в печь вводят медь в количестве 1%. Магний в виде лигатуры ФСМг7КОЗ вводится методом внутриформенного модифицирования. Количество модификатора -0,6% от металлоемкости формы, коэффициент усвоения магния - 70-80%. Указанный порядок ввода шихты обеспечивает получение чугуна заданного хим. состава. Заливка металла производится в металлические формы при температуре 1300-1380^oC. Отливают по 56 мелющих тел каждого варианта. От каждого варианта отбирают по 10 мелющих тел для испытания на ударостойкость, твердость и по пять тел для испытания на изностостойкость. Испытания на ударостойкость проводят на копре и определяют ее как количество ударов до разрушения мелющего тела при падении на него с высоты 1 метра груза весом 75кг. Для определения износостойкости из мелющих тел вытачивают образцы диаметром 10мм и длиной 25мм. Испытание проводят на машине МИ-1М сухим трением скольжения образца по абразивному кругу при давлении 20дин /см и скорости вращения 1,5 м/с. Химические составы известного и предлагаемого чугуна и уровень их свойств приведены в таблицах 1,2 соответственно.

Как следует из табл. 1,2 предлагаемый хим. состав позволяет повысить по сравнению с известным чугуном износостойкость в 1,6-1,8 раза, ударостойкость в 1,7-2,3 раза.